Natuurkundigen en ingenieurs van Case Western Reserve University hebben een optische sensor ontwikkeld, gebaseerd op nanogestructureerde metamaterialen, dat is 1 miljoen keer gevoeliger dan de huidige best beschikbare - een die in staat is om een ​​enkel lichtgewicht molecuul in een sterk verdunde oplossing te identificeren.

Hun doel:oncologen een manier bieden om een ​​enkel molecuul van een enzym te detecteren dat wordt geproduceerd door circulerende kankercellen. Een dergelijke detectie zou artsen in staat kunnen stellen patiënten met bepaalde vormen van kanker veel eerder te diagnosticeren dan vandaag de dag mogelijk is, monitor behandeling en weerstand en meer.

"De prognose van veel kankers hangt af van het stadium van de kanker bij diagnose", zegt Giuseppe "Pino" Strangi, hoogleraar natuurkunde bij Case Western Reserve en leider van het onderzoek.

"Heel vroeg, de meeste circulerende tumorcellen brengen eiwitten met een zeer laag molecuulgewicht tot expressie, minder dan 500 Dalton, " legde Strangi uit. "Deze eiwitten zijn meestal te klein en in een te lage concentratie om met de huidige testmethoden te detecteren, vals-negatieve resultaten opleveren.

"Met dit platform we hebben eiwitten van 244 Dalton gedetecteerd, waardoor artsen kanker eerder zouden kunnen detecteren - we weten nog niet hoeveel eerder, " zei hij. "Dit biosensingplatform kan helpen om het volgende tijdperk van aanvankelijke kankeropsporing te openen."

De onderzoekers denken dat de detectietechnologie ook nuttig zal zijn bij het diagnosticeren en monitoren van andere ziekten.

Hun onderzoek wordt online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen . Het was een geweldig teamwerk, zei Strange. Hij werkte samen met postdoctoraal onderzoekers Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth en Efe Ilker, Promovendi Yunus Alapan en Mohamed ElKabbash, Universitair docent natuurkunde Michael Hinczewski, Universitair docent Lucht- en Ruimtevaarttechniek Umut Gurkan (co-PI) en Antonio De Luca, die tijdens deze studie gastonderzoeker was in het laboratorium van Strangi en nu universitair hoofddocent natuurkunde is aan de Universiteit van Calabrië in Italië.

De wetenschap

De nanosensor, die in de palm van een hand past, werkt als een biologische zeef, het isoleren van een klein eiwitmolecuul met een gewicht van minder dan 800 quadriljoenste van een nanogram uit een extreem verdunde oplossing.

Om het apparaat zo gevoelig te maken, Het team van Strangi werd geconfronteerd met twee al lang bestaande barrières:lichtgolven kunnen geen objecten detecteren die kleiner zijn dan hun eigen fysieke afmetingen, die variëren tot ongeveer een halve micron. En moleculen in verdunde oplossingen drijven in Brownse beweging en zullen waarschijnlijk niet op het oppervlak van de sensor landen.

Door gebruik te maken van nanotechnologische hulpmiddelen en door een microfluïdisch kanaal te koppelen aan een geconstrueerd materiaal dat een metamateriaal wordt genoemd, de wetenschapper overwon de grenzen.

Het microfluïdische kanaal beperkt het vermogen van de moleculen om rond te drijven en drijft ze naar het detectiegebied op het oppervlak van het metamateriaal.

Het metamateriaal is gemaakt van in totaal 16 nanogestructureerde lagen van reflecterend en geleidend goud en transparant aluminiumoxide, een diëlektricum, elke 10s atomen dik. Licht dat op en door de lagen wordt gericht, wordt geconcentreerd in een zeer klein volume dat veel kleiner is dan de golflengte van licht.

De bovenste goudlaag is geperforeerd met gaatjes, het creëren van een rooster dat het licht dat op het oppervlak scheen in twee dimensies verspreidt.

Het invallende licht, met een golflengte van enkele honderden nanometers, lijkt te zijn opgesloten en geconcentreerd in enkele nanometers op het grensvlak tussen het goud en de diëlektrische laag.

Als het licht het waarnemingsgebied raakt, het wekt vrije elektronen op waardoor ze oscilleren en een zeer beperkte voortplantende oppervlaktegolf genereren, een oppervlakteplasmonpolariton genoemd. Deze zich voortplantende oppervlaktegolf zal op zijn beurt een massagolf opwekken die zich over het waarnemingsplatform voortplant. De aanwezigheid van de golven veroorzaakt diepe scherpe dalingen in het spectrum van reflecterend licht.

De combinatie en het samenspel van oppervlakteplasmon- en bulkplasmongolven maken de sensor zo gevoelig. zei Strange. Door deze golven door de acht dubbellagen van het metamateriaal te prikkelen, ze creëren opmerkelijk scherpe resonantiemodi.

Extreem scherpe en gevoelige resonanties kunnen worden gebruikt om kleinere objecten te detecteren.

"Het is extreem gevoelig, ' zei Strangi. 'Als een klein molecuul op het oppervlak landt, het resulteert in een grote lokale wijziging, waardoor het licht verschuift."

Het potentieel

Afhankelijk van de grootte van het molecuul, het reflecterende licht verschuift verschillende hoeveelheden. De onderzoekers hopen specifieke moleculen te leren identificeren, beginnend met biomarkers voor verschillende vormen van kanker, door hun lichtverschuivingen.

Om specificiteit aan de sensor toe te voegen, het team voegde een laag vangmoleculen toe, dat zijn moleculen die zich specifiek binden met de moleculen waarop ze jagen.

Bij testen, de onderzoekers gebruikten valmoleculen om twee verschillende biomoleculen te vangen:runderserumalbumine, met een molecuulgewicht van 66, 430 Dalton, en biotine, met een molecuulgewicht van 244 Dalton. Elk produceerde een kenmerkende lichtverschuiving.

Andere onderzoekers hebben gerapporteerd dat ze op plasmon gebaseerde biosensoren gebruiken om biotine te detecteren in oplossingen in concentraties variërend van meer dan 100 micromol per liter tot 10 micromol per liter. Dit apparaat bleek 1 miljoen keer gevoeliger, het vinden en identificeren van biotine in een concentratie van 10 picomol per liter.

Testen en implicaties

in Cleveland, Strangei en Nima Sharifi, MD, co-leider van het urogenitale kankerprogramma voor het Case Comprehensive Cancer Center, zijn begonnen met het testen van de sensor met eiwitten die verband houden met prostaatkanker.

"Voor sommige vormen van kanker, zoals colorectale en pancreaskanker, vroege opsporing is essentieel, " zei Sharifi, die ook de Kendrick Family Chair is voor prostaatkankeronderzoek bij Cleveland Clinic. "Hoge gevoeligheidsdetectie van kankerspecifieke eiwitten in het bloed zou de detectie van tumoren mogelijk moeten maken wanneer ze zich in een vroeger ziektestadium bevinden.

"Deze nieuwe detectietechnologie kan ons niet alleen helpen kankers op te sporen, maar welke subset van kanker, wat de groei en verspreiding drijft en waar het gevoelig voor is, "zei hij. "De sensor, bijvoorbeeld, kan ons helpen markers van agressieve prostaatkankers te bepalen, die behandelingen vereisen, of indolente vormen die dat niet doen."

Het laboratorium van Strangi werkt samen met andere oncologen over de hele wereld om het apparaat te testen en te beginnen met het verplaatsen van de sensor naar klinisch gebruik.

"We beschouwen dit slechts het begin van ons onderzoek, " hij zei.